JP3439063B2 - 半導体発光素子および発光ランプ - Google Patents
半導体発光素子および発光ランプInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子お
よびそれを用いた発光ランプに関する。
よびそれを用いた発光ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】直接遷移型のバンド構造を有する窒化ガ
リウム（ＧａＮ）は、青色あるいは紫色の光を発生する
発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子
の材料として注目されている。しかしながら、ＧａＮか
らなる基板が存在しないため、ＧａＮ系半導体発光素子
を作製する際には、サファイヤ（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の絶縁
性基板上に各層をエピタキシャル成長させている。
リウム（ＧａＮ）は、青色あるいは紫色の光を発生する
発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子
の材料として注目されている。しかしながら、ＧａＮか
らなる基板が存在しないため、ＧａＮ系半導体発光素子
を作製する際には、サファイヤ（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の絶縁
性基板上に各層をエピタキシャル成長させている。
【０００３】図１２は従来のＧａＮ系発光ダイオードの
構造を示す模式的断面図である。図１２において、サフ
ァイヤ基板１上に、ＡｌＧａＮバッファ層１ａ、ｎ側コ
ンタクト層を兼ねるｎ型ＧａＮクラッド層２、ｎ型Ｉｎ
ＧａＮ活性層（発光層）３、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
４およびｐ型ＧａＮコンタクト層５が順に形成されてい
る。ｐ型ＧａＮコンタクト層５からｎ型ＧａＮクラッド
層２の所定深さまでの一部領域が除去され、ｎ型ＧａＮ
クラッド層２が露出している。露出したｎ型ＧａＮクラ
ッド層２上にｎ側電極６が形成され、ｐ型ＧａＮコンタ
クト５上にｐ側電極７が形成されている。
構造を示す模式的断面図である。図１２において、サフ
ァイヤ基板１上に、ＡｌＧａＮバッファ層１ａ、ｎ側コ
ンタクト層を兼ねるｎ型ＧａＮクラッド層２、ｎ型Ｉｎ
ＧａＮ活性層（発光層）３、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
４およびｐ型ＧａＮコンタクト層５が順に形成されてい
る。ｐ型ＧａＮコンタクト層５からｎ型ＧａＮクラッド
層２の所定深さまでの一部領域が除去され、ｎ型ＧａＮ
クラッド層２が露出している。露出したｎ型ＧａＮクラ
ッド層２上にｎ側電極６が形成され、ｐ型ＧａＮコンタ
クト５上にｐ側電極７が形成されている。
【０００４】図１３は図１２の発光ダイオードを用いた
ＬＥＤランプの構造を示す概略断面図である。図１３の
ＬＥＤランプでは、発光ダイオードチップ１０ａのサフ
ァイヤ基板１の裏面が銀ペーストや樹脂等の接着剤１１
でリードフレーム１２上に接着され、ｎ側電極６がワイ
ヤ１３でリードフレーム１２に接続されるとともに、ｐ
側電極７がワイヤ１４で正極端子１５に接続されてい
る。さらに、発光ダイオードチップ１０ａ、リードフレ
ーム１２および正極端子１５が樹脂レンズ１６で封入さ
れている。
ＬＥＤランプの構造を示す概略断面図である。図１３の
ＬＥＤランプでは、発光ダイオードチップ１０ａのサフ
ァイヤ基板１の裏面が銀ペーストや樹脂等の接着剤１１
でリードフレーム１２上に接着され、ｎ側電極６がワイ
ヤ１３でリードフレーム１２に接続されるとともに、ｐ
側電極７がワイヤ１４で正極端子１５に接続されてい
る。さらに、発光ダイオードチップ１０ａ、リードフレ
ーム１２および正極端子１５が樹脂レンズ１６で封入さ
れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図１２の従来の発光ダ
イオードでは、ｎ型ＧａＮクラッド層２上にｎ側電極６
を設けるために、ｎ型ＧａＮクラッド層２よりも上の層
の面積をサファイヤ基板１の面積に比べて小さくする必
要がある。そのため、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層３の面積が
小さくなるので発光面積が小さく、光出力が低くなる。
それにより、図１２の発光ダイオードを用いたＬＥＤラ
ンプでは、高い発光強度が得られない。
イオードでは、ｎ型ＧａＮクラッド層２上にｎ側電極６
を設けるために、ｎ型ＧａＮクラッド層２よりも上の層
の面積をサファイヤ基板１の面積に比べて小さくする必
要がある。そのため、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層３の面積が
小さくなるので発光面積が小さく、光出力が低くなる。
それにより、図１２の発光ダイオードを用いたＬＥＤラ
ンプでは、高い発光強度が得られない。
【０００６】また、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層３で発光した
光のうちサファイヤ基板１の側へ出射される光は、接着
剤１１で吸収されるために有効に利用されない。
光のうちサファイヤ基板１の側へ出射される光は、接着
剤１１で吸収されるために有効に利用されない。
【０００７】本発明の目的は、光出力が向上された半導
体発光素子を提供することである。本発明の他の目的
は、発光強度が向上された発光ランプを提供することで
ある。
体発光素子を提供することである。本発明の他の目的
は、発光強度が向上された発光ランプを提供することで
ある。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】第１の
発明に係る半導体発光素子は、透光性基板上に発光層を
含む複数の半導体層が積層され、透光性基板の裏面に発
光層により発生された光を非発光領域であった領域の方
向に反射する非対称な三角波状となっている反射層が形
成されたものである。
発明に係る半導体発光素子は、透光性基板上に発光層を
含む複数の半導体層が積層され、透光性基板の裏面に発
光層により発生された光を非発光領域であった領域の方
向に反射する非対称な三角波状となっている反射層が形
成されたものである。
【０００９】本発明に係る半導体発光素子においては、
発光層により発生された光のうち透光性基板を透過した
光が反射層で反射される。それにより、発光層により発
光された光が効率良く上方に出射されるので、光出力が
向上する。
発光層により発生された光のうち透光性基板を透過した
光が反射層で反射される。それにより、発光層により発
光された光が効率良く上方に出射されるので、光出力が
向上する。
【００１０】発光層はガリウムおよび窒素を含んでもよ
い。この場合、発光層から紫色から緑色の光が発生され
る。したがって、高い光出力の紫色から緑色の光が得ら
れる。
い。この場合、発光層から紫色から緑色の光が発生され
る。したがって、高い光出力の紫色から緑色の光が得ら
れる。
【００１１】反射層は金属膜からなってもよい。あるい
は反射層は、複数の誘電体層が積層されてなる誘電体反
射膜からなってもよい。誘電体反射膜は、第１の屈折率
を有する第１の誘電体層と第１の屈折率よりも大きい第
２の屈折率を有する第２の誘電体層とが交互に積層され
てなる。それにより、発光層から発生された光が効率良
く反射される。
は反射層は、複数の誘電体層が積層されてなる誘電体反
射膜からなってもよい。誘電体反射膜は、第１の屈折率
を有する第１の誘電体層と第１の屈折率よりも大きい第
２の屈折率を有する第２の誘電体層とが交互に積層され
てなる。それにより、発光層から発生された光が効率良
く反射される。
【００１２】また、反射層が凹凸形状を有してもよい。
この場合、発光層により発生された光が種々の方向に反
射されるので、発光面積が大きくなるとともに、上面か
ら出射される光の量が多くなり、光出力が高くなる。
この場合、発光層により発生された光が種々の方向に反
射されるので、発光面積が大きくなるとともに、上面か
ら出射される光の量が多くなり、光出力が高くなる。
【００１３】第２の発明に係る発光ランプは、リードフ
レーム上に半導体発光素子が接着されてなる発光ランプ
において、半導体発光素子は、透光性基板上に発光層を
含む複数の半導体層が積層されるとともに、透光性基板
の裏面に発光層により発生される光を非発光領域であっ
た領域の方向に反射する非対称な三角波状となっている
反射層が形成されたものである。
レーム上に半導体発光素子が接着されてなる発光ランプ
において、半導体発光素子は、透光性基板上に発光層を
含む複数の半導体層が積層されるとともに、透光性基板
の裏面に発光層により発生される光を非発光領域であっ
た領域の方向に反射する非対称な三角波状となっている
反射層が形成されたものである。
【００１４】この場合、発光層により発生された光のう
ち透光性基板を透過した光が反射層により反射される。
それにより、発光層により発生された光が効率良く上方
に出射されるので、光ランプの発光強度が向上する。
ち透光性基板を透過した光が反射層により反射される。
それにより、発光層により発生された光が効率良く上方
に出射されるので、光ランプの発光強度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の参考例にお
けるＧａＮ系発光ダイオードの構造を示す模式的断面図
である。
けるＧａＮ系発光ダイオードの構造を示す模式的断面図
である。
【００１６】図１において、層厚３００μｍのサファイ
ヤ基板１上に、層厚約２００ÅのＡｌＧａＮバッファ層
１ａ、層厚４μｍのｎ側コンタクト層を兼ねるｎ型Ｇａ
Ｎクラッド層２、層厚０．１μｍのｎ型ＩｎＧａＮ活性
層（発光層）３、層厚０．１５μｍのｐ型ＡｌＧａＮク
ラッド層４および層厚０．３μｍのｐ型ＧａＮコンタク
ト層５が順に形成されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層
５からｎ型ＧａＮクラッド層２の所定深さまでの一部領
域が除去され、ｎ型ＧａＮクラッド層２が露出してい
る。露出したｎ型ＧａＮクラッド層２上にＡｌからなる
ｎ側電極６が形成され、ｐ型ＧａＮコンタクト層５上に
Ａｕからなるｐ側電極７が形成されている。
ヤ基板１上に、層厚約２００ÅのＡｌＧａＮバッファ層
１ａ、層厚４μｍのｎ側コンタクト層を兼ねるｎ型Ｇａ
Ｎクラッド層２、層厚０．１μｍのｎ型ＩｎＧａＮ活性
層（発光層）３、層厚０．１５μｍのｐ型ＡｌＧａＮク
ラッド層４および層厚０．３μｍのｐ型ＧａＮコンタク
ト層５が順に形成されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層
５からｎ型ＧａＮクラッド層２の所定深さまでの一部領
域が除去され、ｎ型ＧａＮクラッド層２が露出してい
る。露出したｎ型ＧａＮクラッド層２上にＡｌからなる
ｎ側電極６が形成され、ｐ型ＧａＮコンタクト層５上に
Ａｕからなるｐ側電極７が形成されている。
【００１７】また、サファイヤ基板１上の裏面にＡｌか
らなる金属反射膜８が形成されている。金属反射膜８の
形成方法としては、真空蒸着法またはスパッタ法を用い
る。真空蒸着法を用いる場合には、真空度を２×１０-6
Ｔｏｒｒ程度とし、スパッタ法を用いる場合には、真空
度を１×１０-3〜１×１０-2Ｔｏｒｒ程度とする。
らなる金属反射膜８が形成されている。金属反射膜８の
形成方法としては、真空蒸着法またはスパッタ法を用い
る。真空蒸着法を用いる場合には、真空度を２×１０-6
Ｔｏｒｒ程度とし、スパッタ法を用いる場合には、真空
度を１×１０-3〜１×１０-2Ｔｏｒｒ程度とする。
【００１８】金属反射膜８の膜厚は１０００Å以上１０
μｍ以下が好ましい。これにより、金属反射膜８を光が
ほどんど透過せず、かつ金属反射膜８の剥離が生じな
い。
μｍ以下が好ましい。これにより、金属反射膜８を光が
ほどんど透過せず、かつ金属反射膜８の剥離が生じな
い。
【００１９】本参考例の発光ダイオードでは、ｎ型Ｉｎ
ＧａＮ活性層３により発生された光のうち下方に進む光
がサファイヤ基板１を透過し、金属反射膜８で上方に反
射される。それにより、発光ダイオードの上面から光が
効率良く出射され、光出力が向上する。
ＧａＮ活性層３により発生された光のうち下方に進む光
がサファイヤ基板１を透過し、金属反射膜８で上方に反
射される。それにより、発光ダイオードの上面から光が
効率良く出射され、光出力が向上する。
【００２０】図２は図１の発光ダイオードを用いたＬＥ
Ｄランプの構造を示す概略断面図である。
Ｄランプの構造を示す概略断面図である。
【００２１】図２のＬＥＤランプでは、発光ダイオード
チップ１０の金属反射膜８の裏面が銀ペーストからなる
接着剤１１でリードフレーム１２上に接着されている。
また、ｎ側電極６がワイヤ１３でリードフレーム１２に
接続され、ｐ側電極７がワイヤ１４で正極端子１５に接
続されている。さらに、発光ダイオードチップ１０、リ
ードフレーム１２および正極端子１５が樹脂レンズ１６
で封入されている。
チップ１０の金属反射膜８の裏面が銀ペーストからなる
接着剤１１でリードフレーム１２上に接着されている。
また、ｎ側電極６がワイヤ１３でリードフレーム１２に
接続され、ｐ側電極７がワイヤ１４で正極端子１５に接
続されている。さらに、発光ダイオードチップ１０、リ
ードフレーム１２および正極端子１５が樹脂レンズ１６
で封入されている。
【００２２】図２のＬＥＤランプでは、発光ダイオード
チップ１０の上面から光が効率良く出射されるので、高
い発光強度が得られる。
チップ１０の上面から光が効率良く出射されるので、高
い発光強度が得られる。
【００２３】ここで、図１の構造を有する参考例の発光
ダイオードおよび図１２の構造を有する比較例の発光ダ
イオードを作製し、光出力を測定した。参考例の発光ダ
イオードでは、金属反射膜８の膜厚を３０００Åとし
た。比較例の発光ダイオードでは、サファイヤ基板１の
裏面に処理を行っていない。参考例および比較例の発光
ダイオードの光出力の測定結果を表１に示す。
ダイオードおよび図１２の構造を有する比較例の発光ダ
イオードを作製し、光出力を測定した。参考例の発光ダ
イオードでは、金属反射膜８の膜厚を３０００Åとし
た。比較例の発光ダイオードでは、サファイヤ基板１の
裏面に処理を行っていない。参考例および比較例の発光
ダイオードの光出力の測定結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】表１に示すように、参考例の発光ダイオー
ドでは、比較例の発光ダイオードに比べて光出力が５０
〜６０％向上した。
ドでは、比較例の発光ダイオードに比べて光出力が５０
〜６０％向上した。
【００２６】次に、図２の構造を有する参考例のＬＥＤ
ランプおよび図１３の構造を有する比較例のＬＥＤラン
プを作製し、発光強度を測定した。参考例のＬＥＤラン
プでは、膜厚３０００Åの金属反射膜８を有する発光ダ
イオードチップ１０を銀ペースト１１でリードフレーム
１２上に接着した。比較例のＬＥＤランプでは、発光ダ
イオードチップ１０ａを銀ペースト１１でリードフレー
ム１２上に接着した。参考例および比較例のＬＥＤラン
プの発光強度の測定結果を表２に示す。
ランプおよび図１３の構造を有する比較例のＬＥＤラン
プを作製し、発光強度を測定した。参考例のＬＥＤラン
プでは、膜厚３０００Åの金属反射膜８を有する発光ダ
イオードチップ１０を銀ペースト１１でリードフレーム
１２上に接着した。比較例のＬＥＤランプでは、発光ダ
イオードチップ１０ａを銀ペースト１１でリードフレー
ム１２上に接着した。参考例および比較例のＬＥＤラン
プの発光強度の測定結果を表２に示す。
【００２７】
【表２】
【００２８】表２に示すように、参考例のＬＥＤランプ
では、比較例のＬＥＤランプに比べて発光強度が３０〜
４０％向上した。比較例のＬＥＤランプの発光強度が参
考例のＬＥＤランプに比べて低い理由としては、ｎ型Ｉ
ｎＧａＮ活性層３からの光を銀ペーストでは有効に反射
できないためである。これに対して、本参考例のＬＥＤ
ランプでは、サファイヤ基板１の裏面に膜状の金属反射
膜８を備えているので有効に光を反射できる。
では、比較例のＬＥＤランプに比べて発光強度が３０〜
４０％向上した。比較例のＬＥＤランプの発光強度が参
考例のＬＥＤランプに比べて低い理由としては、ｎ型Ｉ
ｎＧａＮ活性層３からの光を銀ペーストでは有効に反射
できないためである。これに対して、本参考例のＬＥＤ
ランプでは、サファイヤ基板１の裏面に膜状の金属反射
膜８を備えているので有効に光を反射できる。
【００２９】なお、金属反射膜８の材料としては、Ａｌ
の他、Ｎａ、Ａｕ、Ａｇ、Ｋ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｒｂ、Ｍ
ｇ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ等の金属を用いることもで
きる。
の他、Ｎａ、Ａｕ、Ａｇ、Ｋ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｒｂ、Ｍ
ｇ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ等の金属を用いることもで
きる。
【００３０】図３（ａ）は本発明の第２の参考例におけ
るＧａＮ系発光ダイオードの模式的断面図である。図３
の発光ダイオードが図１の発光ダイオードと異なるの
は、サファイヤ基板１の裏面に金属反射膜８の代わりに
多層構造の誘電体反射膜９が形成されている点である。
るＧａＮ系発光ダイオードの模式的断面図である。図３
の発光ダイオードが図１の発光ダイオードと異なるの
は、サファイヤ基板１の裏面に金属反射膜８の代わりに
多層構造の誘電体反射膜９が形成されている点である。
【００３１】図３（ｂ）に示すように、誘電体反射膜９
は、ＳｉＯ2 からなる第１の誘電体層９ａとＴｉＯ2 か
らなる第２の誘電体層９ｂとが複数組交互に積層されて
なる。本参考例では、１０組の第１の誘電体層９ａおよ
び第２の誘電体層９ｂが用いられている。誘電体反射膜
９の形成方法としては、蒸着法、ＣＶＤ法（化学的気相
成長法）、スパッタ法等を用いる。
は、ＳｉＯ2 からなる第１の誘電体層９ａとＴｉＯ2 か
らなる第２の誘電体層９ｂとが複数組交互に積層されて
なる。本参考例では、１０組の第１の誘電体層９ａおよ
び第２の誘電体層９ｂが用いられている。誘電体反射膜
９の形成方法としては、蒸着法、ＣＶＤ法（化学的気相
成長法）、スパッタ法等を用いる。
【００３２】図４は誘電体反射膜９における光の反射の
原理を説明するための図である。図４（ａ）はサファイ
ア基板１および誘電体反射膜９を示し、図４（ｂ）はｎ
型ＩｎＧａＮ活性層３により発生される光を示す。ま
た、図４（ｃ）は誘電体反射膜９によりサファイア基板
１の側に反射される光を示し、図４（ｄ）は誘電体反射
膜９を透過する光を示す。
原理を説明するための図である。図４（ａ）はサファイ
ア基板１および誘電体反射膜９を示し、図４（ｂ）はｎ
型ＩｎＧａＮ活性層３により発生される光を示す。ま
た、図４（ｃ）は誘電体反射膜９によりサファイア基板
１の側に反射される光を示し、図４（ｄ）は誘電体反射
膜９を透過する光を示す。
【００３３】図４（ａ）に示すように、サファイヤ基板
１の屈折率をｎs とし、第１の誘電体層９ａの屈折率を
ｎa とし、第２の誘電体層９ｂの屈折率をｎb とする。
ここでｎs ＞ｎa 、ｎb ＞ｎa である。また、λをｎ型
ＩｎＧａＮ活性層３による発光波長とし、第１の誘電体
層９ａの層厚をλ／４とし、第２の誘電体層９ｂの層厚
をλ／４とする。
１の屈折率をｎs とし、第１の誘電体層９ａの屈折率を
ｎa とし、第２の誘電体層９ｂの屈折率をｎb とする。
ここでｎs ＞ｎa 、ｎb ＞ｎa である。また、λをｎ型
ＩｎＧａＮ活性層３による発光波長とし、第１の誘電体
層９ａの層厚をλ／４とし、第２の誘電体層９ｂの層厚
をλ／４とする。
【００３４】屈折率の小さい領域を進行する光は、屈折
率の大きい領域との界面で反射されるときに位相がλ／
２ずれる。逆に、屈折率の大きい領域を進行する光は、
屈折率の小さい領域との界面で反射されるときに位相が
ずれない。
率の大きい領域との界面で反射されるときに位相がλ／
２ずれる。逆に、屈折率の大きい領域を進行する光は、
屈折率の小さい領域との界面で反射されるときに位相が
ずれない。
【００３５】図４（ｃ）において、サファイア基板１を
透過した光Ｌ１が界面９１で反射される場合、位相がず
れないため、反射光の位相は０となる。サファイア基板
１および第１の誘電体層９ａを透過した光Ｌ２が界面９
２で反射される場合、位相がλ／２ずれるため、反射光
の位相は界面９２で（３λ）／４となり、界面９１でλ
となる。サファイア基板１、第１の誘電体層９ａおよび
第２の誘電体層９ｂを透過した光Ｌ３が界面９３で反射
される場合、位相がずれないため、反射光の位相は界面
９３でλ／２となり、界面９２で（３λ）／４となり、
界面９１でλとなる。このように、サファイヤ基板１の
側に反射される光の位相は０またはλであり、常に同位
相となる。
透過した光Ｌ１が界面９１で反射される場合、位相がず
れないため、反射光の位相は０となる。サファイア基板
１および第１の誘電体層９ａを透過した光Ｌ２が界面９
２で反射される場合、位相がλ／２ずれるため、反射光
の位相は界面９２で（３λ）／４となり、界面９１でλ
となる。サファイア基板１、第１の誘電体層９ａおよび
第２の誘電体層９ｂを透過した光Ｌ３が界面９３で反射
される場合、位相がずれないため、反射光の位相は界面
９３でλ／２となり、界面９２で（３λ）／４となり、
界面９１でλとなる。このように、サファイヤ基板１の
側に反射される光の位相は０またはλであり、常に同位
相となる。
【００３６】図４（ｄ）おいて、サファイヤ基板１、第
１の誘電体層９ａおよび第２の誘電体層９ｂを透過した
光Ｌ４の位相は、界面９３でλ／２となる。サファイヤ
基板１および第１の誘電体層９ａを透過した光Ｌ５が界
面９２で反射されると、位相がλ／２ずれるため、反射
光の位相は界面９２で（３λ）／４となり、その反射光
が界面９１で反射されると、位相がλ／２ずれるため、
その反射光の位相は界面９１で（３λ）／２となり、界
面９２で（７λ）／４となる。その光がさらに第２の誘
電体層９ｂを透過すると、その位相は界面９３で２λと
なる。この場合、光Ｌ４および光Ｌ５が互いに打ち消し
合い、誘電体反射膜９を透過する光がなくなる。
１の誘電体層９ａおよび第２の誘電体層９ｂを透過した
光Ｌ４の位相は、界面９３でλ／２となる。サファイヤ
基板１および第１の誘電体層９ａを透過した光Ｌ５が界
面９２で反射されると、位相がλ／２ずれるため、反射
光の位相は界面９２で（３λ）／４となり、その反射光
が界面９１で反射されると、位相がλ／２ずれるため、
その反射光の位相は界面９１で（３λ）／２となり、界
面９２で（７λ）／４となる。その光がさらに第２の誘
電体層９ｂを透過すると、その位相は界面９３で２λと
なる。この場合、光Ｌ４および光Ｌ５が互いに打ち消し
合い、誘電体反射膜９を透過する光がなくなる。
【００３７】したがって、第１の誘電体層９ａおよび第
２の誘電体層９ｂの屈折率を考慮しない場合には、第１
の誘電体層９ａおよび第２の誘電体層９ｂの層厚をｎ型
ＩｎＧａＮ活性層３により発生された光の波長λの４分
の１に設定することにより、その光を誘電体反射膜９で
反射させることができる。
２の誘電体層９ｂの屈折率を考慮しない場合には、第１
の誘電体層９ａおよび第２の誘電体層９ｂの層厚をｎ型
ＩｎＧａＮ活性層３により発生された光の波長λの４分
の１に設定することにより、その光を誘電体反射膜９で
反射させることができる。
【００３８】第１の誘電体層９ａの屈折率ｎa および第
２の誘電体層９ｂの屈折率ｎb を考慮した場合、第１の
誘電体層９ａの層厚ｄa および第２の誘電体層９ｂの層
厚ｄb は次式を満足するように設定する。
２の誘電体層９ｂの屈折率ｎb を考慮した場合、第１の
誘電体層９ａの層厚ｄa および第２の誘電体層９ｂの層
厚ｄb は次式を満足するように設定する。
【００３９】ｄa ＝λ／（４ｎa ） ・・・（１）
ｄb ＝λ／（４ｎb ） ・・・（２）
ｎ型ＩｎＧａＮ活性層３による発光波長λが４７０ｎ
ｍ、サファイヤ基板１の屈折率ｎs が１．７８、第１の
誘電体層９ａの屈折率ｎa が１．４７、第２の誘電体層
９ｂの屈折率ｎb が２．３６である場合、上式（１），
（２）から、第１の誘電体層９ａの層厚ｄa は約８００
Åとなり、第２の誘電体層９ｂの層厚ｄbは約５００Å
となる。
ｍ、サファイヤ基板１の屈折率ｎs が１．７８、第１の
誘電体層９ａの屈折率ｎa が１．４７、第２の誘電体層
９ｂの屈折率ｎb が２．３６である場合、上式（１），
（２）から、第１の誘電体層９ａの層厚ｄa は約８００
Åとなり、第２の誘電体層９ｂの層厚ｄbは約５００Å
となる。
【００４０】図５は上記の誘電体反射膜９における反射
率の計算結果を示す図である。図５に示すように、第１
の誘電体層９ａおよび第２の誘電体層９ｂが１組の場合
には、反射率が約４１％となり、２組の場合には７１％
となり、３組の場合には８８％となり、４組の場合には
９５％となる。すなわち、第１の誘電体層９ａおよび第
２の誘電体層９ｂを３組または４組設けることにより、
Ａｌからなる金属反射膜８とほぼ同等の反射率が得られ
る。このように、第１の誘電体層９ａおよび第２の誘電
体層９ｂの組数を増加させるに従って、サファイヤ基板
１から誘電体反射膜９へ伝搬する光の反射率が増加す
る。
率の計算結果を示す図である。図５に示すように、第１
の誘電体層９ａおよび第２の誘電体層９ｂが１組の場合
には、反射率が約４１％となり、２組の場合には７１％
となり、３組の場合には８８％となり、４組の場合には
９５％となる。すなわち、第１の誘電体層９ａおよび第
２の誘電体層９ｂを３組または４組設けることにより、
Ａｌからなる金属反射膜８とほぼ同等の反射率が得られ
る。このように、第１の誘電体層９ａおよび第２の誘電
体層９ｂの組数を増加させるに従って、サファイヤ基板
１から誘電体反射膜９へ伝搬する光の反射率が増加す
る。
【００４１】なお、上記参考例では、第１の誘電体層９
ａとして屈折率１．４７のＳｉＯ2を用い、第２の誘電
体層９ｂとして屈折率２．３６のＴｉＯ2 を用いている
が、第１の誘電体層９ａとして、屈折率１．３９のＭｇ
Ｏ、屈折率１．６３のＡｌ2Ｏ3 を用いてもよく、第２
の誘電体層９ｂとして、屈折率２．１のＺｎＯを用いて
もよい。また、第１の誘電体層９ａとして、ＭｇＦ2 、
ＬａＦ3 、ＮｄＦ3 、ＣｅＦ3 、ＢａＦ2 、ＣａＦ2 、
ＬｉＦを用いることもでき、第２の誘電体層９ｂとし
て、ＺｒＯ2 、ＣｅＯ2 、ＴｉＯ2 、ＺｎＳ、Ｂｉ2 Ｏ
3 、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、Ｓｒ
ＴｉＯ3 、ＫＴａＯ3 を用いることもできる。
ａとして屈折率１．４７のＳｉＯ2を用い、第２の誘電
体層９ｂとして屈折率２．３６のＴｉＯ2 を用いている
が、第１の誘電体層９ａとして、屈折率１．３９のＭｇ
Ｏ、屈折率１．６３のＡｌ2Ｏ3 を用いてもよく、第２
の誘電体層９ｂとして、屈折率２．１のＺｎＯを用いて
もよい。また、第１の誘電体層９ａとして、ＭｇＦ2 、
ＬａＦ3 、ＮｄＦ3 、ＣｅＦ3 、ＢａＦ2 、ＣａＦ2 、
ＬｉＦを用いることもでき、第２の誘電体層９ｂとし
て、ＺｒＯ2 、ＣｅＯ2 、ＴｉＯ2 、ＺｎＳ、Ｂｉ2 Ｏ
3 、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、Ｓｒ
ＴｉＯ3 、ＫＴａＯ3 を用いることもできる。
【００４２】図６（ａ）は本発明の第３の参考例におけ
るＧａＮ系発光ダイオードの模式的断面図である。図６
（ａ）の発光ダイオードが図１の発光ダイオードと異な
るのは、サファイヤ基板１の裏面が対称な三角波状（の
こぎり刃波状）の凹凸形状に加工され、サファイヤ基板
１の裏面に金属反射膜１８が凹凸形状に形成されている
点である。
るＧａＮ系発光ダイオードの模式的断面図である。図６
（ａ）の発光ダイオードが図１の発光ダイオードと異な
るのは、サファイヤ基板１の裏面が対称な三角波状（の
こぎり刃波状）の凹凸形状に加工され、サファイヤ基板
１の裏面に金属反射膜１８が凹凸形状に形成されている
点である。
【００４３】サファイヤ基板１の裏面を凹凸形状に加工
するためには、ＣＦ4 ガスを用いたドライエッチング、
燐酸系のエッチング液を用いたウェットエッチング等の
化学的加工法またはダイシング用の切削工具を用いた機
械的加工法を用いる。
するためには、ＣＦ4 ガスを用いたドライエッチング、
燐酸系のエッチング液を用いたウェットエッチング等の
化学的加工法またはダイシング用の切削工具を用いた機
械的加工法を用いる。
【００４４】本参考例の発光ダイオードでは、ｎ型Ｉｎ
ＧａＮ活性層３により発生された光のうちサファイア基
板１を透過した光が凹凸形状に形成された金属反射膜８
で種々の方向に反射される。これにより、発光面積が大
きくなり、かつ発光ダイオードの側面から出射される光
の量が減少し、上面から出射される光の量が増加する。
その結果、光出力が向上する。
ＧａＮ活性層３により発生された光のうちサファイア基
板１を透過した光が凹凸形状に形成された金属反射膜８
で種々の方向に反射される。これにより、発光面積が大
きくなり、かつ発光ダイオードの側面から出射される光
の量が減少し、上面から出射される光の量が増加する。
その結果、光出力が向上する。
【００４５】ここで、図６（ａ）の発光ダイオードの光
出力を図１の発光ダイオードの光出力と比較した。本参
考例の発光ダイオードでは、サファイヤ基板１の裏面を
図６（ｂ）に示すように、対称な三角波状の凹凸形状に
加工した。溝の角度θを４５°とし、溝の幅Ｗを４０μ
ｍとした。また、図１および図６（ａ）の発光ダイオー
ドの幅Ｄは４００μｍとした。その結果、図６（ａ）の
発光ダイオードでは、図１の発光ダイオードに比べて光
出力が２０％向上した。
出力を図１の発光ダイオードの光出力と比較した。本参
考例の発光ダイオードでは、サファイヤ基板１の裏面を
図６（ｂ）に示すように、対称な三角波状の凹凸形状に
加工した。溝の角度θを４５°とし、溝の幅Ｗを４０μ
ｍとした。また、図１および図６（ａ）の発光ダイオー
ドの幅Ｄは４００μｍとした。その結果、図６（ａ）の
発光ダイオードでは、図１の発光ダイオードに比べて光
出力が２０％向上した。
【００４６】なお、サファイヤ基板１の裏面の凹凸形状
は図７（ａ）に示すように、複数の溝が１方向に形成さ
れた形状であってもよい。また、図７（ｂ）に示すよう
に、ピラミッド形状の突起が２次元的に配列されてもよ
い。さらに、図７（ｃ）に示すように、六角錐形状の突
起が２次元的に配列されてもよい。
は図７（ａ）に示すように、複数の溝が１方向に形成さ
れた形状であってもよい。また、図７（ｂ）に示すよう
に、ピラミッド形状の突起が２次元的に配列されてもよ
い。さらに、図７（ｃ）に示すように、六角錐形状の突
起が２次元的に配列されてもよい。
【００４７】図８は本発明の第１の実施例におけるＧａ
Ｎ系発光ダイオードの模式的断面図である。図８の発光
ダイオードが図６の発光ダイオードと異なるのは、サフ
ァイヤ基板１の裏面に形成された金属反射膜８が非対称
な三角波状（のこぎり刃状）となっている点である。
Ｎ系発光ダイオードの模式的断面図である。図８の発光
ダイオードが図６の発光ダイオードと異なるのは、サフ
ァイヤ基板１の裏面に形成された金属反射膜８が非対称
な三角波状（のこぎり刃状）となっている点である。
【００４８】本実施例の発光ダイオードでは、図８に矢
印で示すように、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層３から発生され
た光のうちサファイヤ基板１を透過した光が金属反射膜
８で反射される。この場合、ｎ側電極６の方向に反射さ
れる光の量が多くなる。これにより、従来の発光ダイオ
ードで非発光領域であったｎ側電極の領域が発光領域と
なり、発光ダイオードの上面の全体から光が均一に出射
される。
印で示すように、ｎ型ＩｎＧａＮ活性層３から発生され
た光のうちサファイヤ基板１を透過した光が金属反射膜
８で反射される。この場合、ｎ側電極６の方向に反射さ
れる光の量が多くなる。これにより、従来の発光ダイオ
ードで非発光領域であったｎ側電極の領域が発光領域と
なり、発光ダイオードの上面の全体から光が均一に出射
される。
【００４９】図９は図８の発光ダイオードを用いたＬＥ
Ｄランプの概略断面図である。また図１０は図９のＬＥ
Ｄランプの指向特性を示す図である。
Ｄランプの概略断面図である。また図１０は図９のＬＥ
Ｄランプの指向特性を示す図である。
【００５０】図９に示すように、発光ダイオードチップ
１０は樹脂レンズ１６の内部の中心部に配置される。図
８の発光ダイオードを用いた場合には、発光ダイオード
チップ１０の上面の全体から光が均一に出射されるの
で、出射光の分布が中心軸Ｓに対して対称になる。それ
により、図１０に実線で示すように、発光ダイオードチ
ップ１０からの発光が中心軸に対して対称となる。これ
に対して、従来の発光ダイオードを用いた場合には、発
光ダイオードチップ１０ａのｎ側電極６の部分からは光
が出射されないので、図１０に破線で示すように、発光
が中心軸Ｓに関して対称とならない。
１０は樹脂レンズ１６の内部の中心部に配置される。図
８の発光ダイオードを用いた場合には、発光ダイオード
チップ１０の上面の全体から光が均一に出射されるの
で、出射光の分布が中心軸Ｓに対して対称になる。それ
により、図１０に実線で示すように、発光ダイオードチ
ップ１０からの発光が中心軸に対して対称となる。これ
に対して、従来の発光ダイオードを用いた場合には、発
光ダイオードチップ１０ａのｎ側電極６の部分からは光
が出射されないので、図１０に破線で示すように、発光
が中心軸Ｓに関して対称とならない。
【００５１】図１１は本発明の第４の参考例におけるＧ
ａＮ系発光ダイオードの模式的断面図である。図１１の
発光ダイオードが図６の発光ダイオードと異なるのは、
サファイヤ基板１の裏面に形成される金属反射膜８が凹
レンズ形状となっている点である。
ａＮ系発光ダイオードの模式的断面図である。図１１の
発光ダイオードが図６の発光ダイオードと異なるのは、
サファイヤ基板１の裏面に形成される金属反射膜８が凹
レンズ形状となっている点である。
【００５２】本参考例の発光ダイオードでは、ｎ型Ｉｎ
ＧａＮ活性層３により発生される光のうちサファイヤ基
板１を透過した光が、金属反射膜８で上方に反射され
る。この場合、金属反射膜８が凹レンズ形状となってい
るので、反射される光の大部分が発光ダイオードの上面
に集中し、側面から出射する光の量が少なくなる。それ
により、発光ダイオードの光出力が向上する。
ＧａＮ活性層３により発生される光のうちサファイヤ基
板１を透過した光が、金属反射膜８で上方に反射され
る。この場合、金属反射膜８が凹レンズ形状となってい
るので、反射される光の大部分が発光ダイオードの上面
に集中し、側面から出射する光の量が少なくなる。それ
により、発光ダイオードの光出力が向上する。
【００５３】図１１の発光ダイオードの光出力を図１の
発光ダイオードの光出力と比較した。図１１の発光ダイ
オードでは、図１の発光ダイオードに比べて光出力が４
０％向上した。
発光ダイオードの光出力と比較した。図１１の発光ダイ
オードでは、図１の発光ダイオードに比べて光出力が４
０％向上した。
【００５４】上記実施例では、本発明をＧａＮ系発光ダ
イオードに適用した場合を説明したが、本発明は、透光
性基板上に形成された他の材料系の発光ダイオード、半
導体レーザ素子等の半導体発光素子にも適用することが
できる。
イオードに適用した場合を説明したが、本発明は、透光
性基板上に形成された他の材料系の発光ダイオード、半
導体レーザ素子等の半導体発光素子にも適用することが
できる。
【００５５】また、透過性基板としては、サファイア基
板の他、ＳｉＣ基板、ＭｇＯ基板を用いてもよい。
板の他、ＳｉＣ基板、ＭｇＯ基板を用いてもよい。
【図１】本発明の第１の参考例におけるＧａＮ系発光ダ
イオードの模式的断面図である。
イオードの模式的断面図である。
【図２】図１の発光ダイオードを用いたＬＥＤランプの
概略断面図である。
概略断面図である。
【図３】本発明の第２の参考例におけるＧａＮ系発光ダ
イオードの模式的断面図である。
イオードの模式的断面図である。
【図４】誘電体反射膜における光の反射の原理を説明す
るための図である。
るための図である。
【図５】誘電体反射膜における光の反射率の計算結果を
示す図である。
示す図である。
【図６】本発明の第３の参考例におけるＧａＮ系発光ダ
イオードの模式的断面図およびサファイヤ基板の裏面の
凹凸形状を示す図である。
イオードの模式的断面図およびサファイヤ基板の裏面の
凹凸形状を示す図である。
【図７】図６の発光ダイオードにおける金属反射膜の凹
凸形状の例を示す平面図である。
凸形状の例を示す平面図である。
【図８】本発明の第１の実施例におけるＧａＮ系発光ダ
イオードの模式的断面図である。
イオードの模式的断面図である。
【図９】図８の発光ダイオードを用いたＬＥＤランプの
概略断面図である。
概略断面図である。
【図１０】図９のＬＥＤランプの指向特性を示す図であ
る。
る。
【図１１】本発明の第４の参考例におけるＧａＮ系発光
ダイオードの模式的断面図である。
ダイオードの模式的断面図である。
【図１２】従来のＧａＮ系発光ダイオードの模式的断面
図である。
図である。
【図１３】図１２の発光ダイオードを用いたＬＥＤラン
プの概略断面図である。
プの概略断面図である。
１ サファイヤ基板
１ａ ＡｌＧａＮバッファ層
２ ｎ型ＧａＮクラッド層
３ ｎ型ＩｎＧａＮ活性層
４ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
５ ｐ型ＧａＮコンタクト層
６ ｎ側電極
７ ｐ側電極
８ 金属反射膜
９ 誘電体反射膜
９ａ 第１の誘電体層
９ｂ 第２の誘電体層
１０ 発光ダイオードチップ
１１ 銀ペースト
１２ リードフレーム
１５ 正極端子
１６ 樹脂レンズ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平８−32116（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−64421（ＪＰ，Ａ)
特開 昭59−23579（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−36427（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−34983（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 33/00
Claims (6)
- 【請求項１】 透光性基板上に発光層を含む複数の半導
体層が積層されるとともに、前記透光性基板の裏面に前
記発光層により発生された光を非発光領域であった領域
の方向に反射する非対称な三角波状となっている反射層
が形成されたことを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記発光層はガリウムおよび窒素を含む
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記反射層は金属膜であることを特徴と
する請求項１または２記載の半導体発光素子。 - 【請求項４】 前記反射層は、複数の誘電体層が積層さ
れてなる誘電体反射膜であることを特徴とする請求項１
または２記載の半導体発光素子。 - 【請求項５】 前記誘電体反射膜は、第１の屈折率を有
する第１の誘電体層と前記第１の屈折率よりも大きい第
２の屈折率を有する第２の誘電体層とが交互に積層され
てなることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素
子。 - 【請求項６】 リードフレーム上に半導体発光素子が接
着されてなる発光ランプにおいて、前記半導体発光素子
は、透光性基板上に発光層を含む複数の半導体層が積層
されるとともに、前記透光性基板の裏面に前記発光層に
より発生される光を非発光領域であった領域の方向に反
射する非対称な三角波状となっている反射層が形成され
てなることを特徴とする発光ランプ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06942197A JP3439063B2 (ja) | 1997-03-24 | 1997-03-24 | 半導体発光素子および発光ランプ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06942197A JP3439063B2 (ja) | 1997-03-24 | 1997-03-24 | 半導体発光素子および発光ランプ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10270754A JPH10270754A (ja) | 1998-10-09 |
| JP3439063B2 true JP3439063B2 (ja) | 2003-08-25 |
Family
ID=13402144
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06942197A Expired - Fee Related JP3439063B2 (ja) | 1997-03-24 | 1997-03-24 | 半導体発光素子および発光ランプ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3439063B2 (ja) |
Families Citing this family (49)
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|---|---|---|---|---|
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| EP1234344B1 (en) * | 1999-12-03 | 2020-12-02 | Cree, Inc. | Enhanced light extraction in leds through the use of internal and external optical elements |
| JP3795298B2 (ja) | 2000-03-31 | 2006-07-12 | 豊田合成株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法 |
| US6643304B1 (en) * | 2000-07-26 | 2003-11-04 | Axt, Inc. | Transparent substrate light emitting diode |
| JP3595277B2 (ja) * | 2001-03-21 | 2004-12-02 | 三菱電線工業株式会社 | ＧａＮ系半導体発光ダイオード |
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